Forschungsprojekt IFEC 2011: „Entwicklung eines Umrichters für eine dezentrale Notwasserversorgung"
Auch 2010/2011 hat die Power Electronics Society (kurz PELS) zum "International Future Energy Challenge" (kurz IFEC) aufgerufen. Bereits zum vierten Mal stellen sich Teams von verschiedenen Hochschulen weltweit der Herausforderung, die Aufgabenstellung des IFECs in Hinblick auf Kosten, Effizienz und Haltbarkeit bestmöglich lösen zu können. Auch die TH Köln ist wieder mit einem Team dabei.
Auf einen Blick
| Kategorie | Beschreibung |
|---|---|
| Forschungsprojekt | Entwicklung und Aufbau eines Umrichters für eine dezentrale Notwasserversorgung |
| Leitung | Prof. Dr.-Ing. Andreas Lohner |
| Fakultät | Fakultät Informations- Medien und Elektrotechnik |
| Institut | Institut für Automatisierungstechnik |
| Beteiligte | Andreas Lohner, Arno Daniel, Sebastian Kogel, Jan Dreser, Raphael Förster, Peter Sobota, Jens Tragelehn |
| Fördermittelgeber | IEEE, TH Köln |
| Laufzeit | 09/2010 – 07/2011 |
Projektidee und Aufgabe
Da weltweit über 800 Millionen Menschen keinen Zugang zu Trinkwasser besitzen und die Vereinten Nationen im Juli 2010 diesen Zugang auf Trinkwasser als Menschenrecht erklärten, benötigt die Menschheit eine einfache, effiziente und kostengünstige Lösung des Problems. Um Trinkwasser aus Brunnen zu fördern benötigt man allerdings Energie. Als Energiequelle bietet sich die Verwendung eines PV-Moduls an, da in den potentiellen Einsatzgebieten, keine oder nur eine eingeschränkte Energieversorgung zur Verfügung steht. Mit dieser Entscheidung verbunden ergeben sich natürlich weitere Anforderungen an die Effizienz und die Verwendung des zu entwickelnden Umrichtersystems.
Aus den genannten Gründen ist das Ziel der Future Energy Challenge 2011 die Entwicklung eines kompakten, hocheffizienten und langlebigen Umrichters, um eine Wasserpumpe anzutreiben. Ziel des Systems ist es, Wasser aus einem Brunnen in ein höher gelegenes Reservoir, unter der Voraussetzung dass die Sonne scheint, zu pumpen.
Schematischer Systemaufbau (Bild: S. Kogel, TH Köln)Anforderung
Um sich im Wettbewerb behaupten zu können, muss der zu entwickelnde Umrichter einen möglichst hohen Wirkungsgrad im Bereich von > 90 % aufweisen. Das System soll über einen längeren Zeitraum völlig autark und ohne jeglichen Eingriff optimal arbeiten. Zu diesem Zweck verfügt der Umrichter lediglich über einen Schalter zum Ein- und Ausschalten. Als Spannungsquelle dient ein Solarmodul mit einer Nennleistung von 205 W und einer Nennspannung von 26,5 V. Als Pumpenantrieb steht eine Asynchronmaschine (3~ 400 V) mit Käfigläufer zur Verfügung. Ein Schwimmerkontakt am Umrichter überwacht den Füllstand des Reservoirs.
Topologie
Erster Ansatz zum solaren Betrieb der Asynchronmaschine war ein dreistufiger Aufbau aus einem dualem Hochsetzsteller (30 VDC -> 80 VDC) einem Serienresonanzwandler (80 VDC -> 565 VDC) und einem Inverter (565 VDC -> 400 VAC) bestehend. Aufgrund von zu hohen Verlusten im dualen Hochsetzsteller ist dieser wieder herausgenommen worden. Die finale Topologie, bei der die Spannungsanpassung auf 565 VDC alleinig der Serienresonanzwandler übernimmt, ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Resonanzwandler
Der Serienresonanzwandler bietet die Möglichkeit des spannungs– und stromlosen Schaltens. Der Wandler besteht aus einer Vollbrücke, um die Gleichspannung zu zerhacken, einem Transformator mit festem Wicklungsverhältnis und einem Gleichrichter. Die Streuinduktivität wird mittels Serienkapazität kompensiert, um deren negativen Einfluss auf die Leitungsübertragung zu minimieren.
Inverter
Der Inverter wurde durch ein hochintegriertes Leistungshalbleitermodul realisiert. Dieses erlaubt ein sehr kompaktes Design und eine gute Abführung der Verlustleistung.
Teammitglieder
Das Team besteht aus 5 Mitgliedern, die in unterschiedlichen Bereichen tätig sind: Peter Sobotta und Raphael Förster sind für die Entwicklung eines dualen Hochsetzstellers, Jan Dreser für die Entwicklung des Serienresonanz-umrichters, Jens Tragelehn für die Umsetzung in ein PCB-Layout und Arno Daniel für die Software-entwicklung zuständig. Drei Mitglieder des Teams haben ihre Bachelor-Arbeit in diesem Projekt erarbeitet. Geleitet wurde das Team vom Masterstudenten Sebastian Kogel B.Sc..
Zusammenfassung
Das Finale des Wettbewerbs fand in Rio de Janeiro, Brasilien statt, wo das Team aus Köln einen voll funktionsfähigen Umrichter vorstellen konnte. Unter einer Auswahl verschiedener Teams, unter anderem aus den USA, Brasilien, Indien und China konnte das Kölner Team den zweiten Platz erreichen und erhielt zusätzlich den „PSMA Engeneering Achievement“- Award.
Das Projekt war für alle Beteiligten eine ausgesprochen wertvolle Erfahrung gerade auch im Hinblick auf den internationalen Charakters der International Future Energy Challenge.
